LEDs: Überblick, Eigenschaften und Typen

Leuchtdioden (LEDs) sind effiziente Halbleiter, die Licht durch einen Prozess erzeugen, der als Elektrolumineszenz bekannt ist. Sie sind kleiner, langlebiger und zuverlässiger als Glühlampen oder Leuchtstofflampen. Mit Anwendungen in Beleuchtung, Displays und Spezialbereichen bieten LEDs hohe Leistung und Energieeinsparungen. Dieser Artikel enthält Informationen zur Funktionsweise von LEDs, zu ihren Eigenschaften, Lebensdauern und erweiterten Typen.

LED-Übersicht

Eine Leuchtdiode (LED) ist ein Halbleiterbauelement, das Licht erzeugt, wenn Strom in Durchlassrichtung durch es fließt. Im Gegensatz zu Glühbirnen, die durch Erhitzen eines Glühfadens leuchten, oder Leuchtstofflampen, die auf Gasanregung angewiesen sind, funktionieren LEDs durch Elektrolumineszenz, die direkte Emission von Photonen, wenn Elektronen mit Löchern im Inneren des Halbleiters rekombinieren. Dieses Verfahren macht sie weitaus effizienter und zuverlässiger als ältere Technologien. LEDs zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise, lange Lebensdauer, Langlebigkeit gegen Schock und Vibration sowie minimalen Stromverbrauch aus. 

Lichtemission in Halbleitern

Dieses Bild erklärt den Prozess der Lichtemission in Halbleitern, der das Funktionsprinzip von LEDs ist. Wenn ein Halbleiter entweder durch elektrischen Strom oder optische Injektion angeregt wird, bewegen sich Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband, wodurch eine Trennung zwischen Elektronen und Löchern entsteht. Diese Energiedifferenz wird als Bandlücke (Eg) bezeichnet.

Einmal angeregt, rekombiniert das Elektron im Leitungsband schließlich mit einem Loch im Valenzband. Bei diesem Rekombinationsprozess wird die verlorene Energie in Form eines Photons freigesetzt. Die Energie des emittierten Photons entspricht genau der Bandlücke des Materials, d.h. die Wellenlänge (oder Farbe) des Lichts hängt von der Bandlücke des Halbleiters ab.

Elektrische Eigenschaften der LED

LED-Lichtleistung und Lichtausbeute

LED-Farb- und Rendering-Qualität 

Korrelierte Farbtemperatur (CCT)

• Warmweiß (2700K–3500K): Erzeugt einen gelblichen Schimmer, der sich am besten für Wohnzimmer, Restaurants und gemütliche Innenräume eignet.

• Neutralweiß (4000K–4500K): Ausgewogen und komfortabel, wird häufig in Büros, Klassenzimmern und Einzelhandelsräumen verwendet.

• Kaltweiß (5000 K bis 6500 K): Gestochen scharfes, bläuliches, tageslichtähnliches Licht, das sich hervorragend für Außenbeleuchtung, Werkstätten und Umgebungen mit vielen Aufgaben eignet.

Farbwiedergabeindex (CRI)

• CRI ≥ 80: Geeignet für Haushalts- und Gewerbebeleuchtung.

• CRI ≥ 90: Erforderlich in Bereichen, die eine präzise Farbbeurteilung erfordern, wie z. B. Kunststudios, medizinische Einrichtungen und High-End-Einzelhandel.

LED-Lebensdauer und Lumen-Wartung

Der L70-Standard

Die Lebensdauer der LED wird nach dem L70-Standard gemessen. Dieser Wert stellt die Anzahl der Betriebsstunden dar, bis die Lichtleistung der LED auf 70 % ihrer ursprünglichen Helligkeit abfällt. Zu diesem Zeitpunkt ist die LED noch funktionsfähig, bietet aber nicht mehr die gewünschte Beleuchtungsqualität. L70 gewährleistet eine konsistente Methode zum Vergleich der LED-Leistung verschiedener Hersteller.

LED-Lebensdauern

• Consumer-LEDs: 25.000 – 50.000 Betriebsstunden.

• Industrielle LEDs: 50.000 – 100.000+ Stunden, ausgelegt für rauere Bedingungen und höhere Einschaltdauer.

LED-Wärmemanagement

Sperrschicht-Temperatur (Tj)

Die Sperrschichttemperatur ist die interne Temperatur an dem Punkt, an dem Licht im Inneren des LED-Chips erzeugt wird. Die Hersteller geben einen sicheren Betriebsbereich unter 125 °C an. Wird dieser Wert überschritten, verringern sich Helligkeit, Wirkungsgrad und Lebensdauer der LED. Wenn Sie Tj niedrig halten, wird sichergestellt, dass die LED ihre Nennleistung erfüllen kann.

Thermischer Pfad zwischen Übergang und Umgebung

Die im Inneren der LED erzeugte Wärme muss von der Verbindungsstelle an die Umgebungsluft gelangen. Dieser Weg wird als Junction-to-Ambient-Pfad bezeichnet. Die Entwickler messen die Wirksamkeit anhand des Wärmewiderstands (RθJA), ausgedrückt in °C/W. Ein geringerer Wärmewiderstand bedeutet, dass die Wärme effizienter übertragen wird, wodurch die LED kühler und stabiler bleibt.

Methoden der Kühlung

• Kühlkörper - Aluminiumlamellen absorbieren und leiten die Wärme von der LED ab.

• Thermal Vias - Kleine plattierte Löcher in der Leiterplatte leiten die Wärme vom LED-Pad zu den Kupferschichten.

• Metal-Core PCBs (MCPCBs) - Diese Platinen werden in Hochleistungs-LEDs verwendet und haben eine Metallbasis, die Wärme effizient überträgt.

• Aktive Kühlung – Lüfter oder Flüssigkeitskühlsysteme werden in anspruchsvollen Umgebungen wie Projektoren, Stadionbeleuchtung oder Industrieleuchten eingesetzt.

LED-Antriebsmethoden

Konstantstrom-Treiber

Ein Konstantstromtreiber hält den LED-Strom auch bei schwankender Versorgungsspannung stabil. Dies ist die zuverlässigste Art, LEDs mit Strom zu versorgen, da sie ein thermisches Durchgehen verhindert und eine konstante Lichtleistung beibehält. Hochwertige Treiber enthalten oft Schutz vor Kurzschlüssen, Überspannungen und Übertemperaturbedingungen.

PWM-Dimmen

Die Pulsweitenmodulation (PWM) steuert die Helligkeit, indem die LED bei sehr hohen Geschwindigkeiten ein- und ausgeschaltet wird. Durch die Anpassung des Tastverhältnisses (das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit) ändert sich die wahrgenommene Helligkeit sanft. Da die Schaltfrequenz über dem Erfassungsbereich des menschlichen Auges liegt, erscheint das Licht gleichmäßig. Schlecht konzipierte Systeme mit niederfrequenter PWM können sichtbares Flimmern verursachen, was zu einer Überanstrengung der Augen oder Kameraartefakten führt.

Analoges Dimmen

Beim analogen Dimmen wird die Helligkeit angepasst, indem die Amplitude des durch die LED fließenden Stroms geändert wird. Diese Methode vermeidet Flimmerprobleme, kann aber die Farbe der LED leicht verschieben, insbesondere bei sehr niedrigen Helligkeiten. Analoges Dimmen wird in fortschrittlichen Systemen häufig mit PWM kombiniert, um sowohl eine reibungslose Farbsteuerung als auch eine präzise Helligkeitsregelung zu erreichen.

LED-Verpackung und Optik

LEDs für SMD-Geräte (Surface Mount Device)

SMD-LEDs sind der am häufigsten verwendete Typ in der modernen Beleuchtung. Sie werden direkt auf der Leiterplatte montiert und sind in Standardgrößen wie 2835 und 5050 erhältlich. SMD-LEDs bieten eine gute Effizienz und Flexibilität und eignen sich daher am besten für LED-Streifen, Haushaltslampen und Flächenleuchten. Ihre kompakte Größe ermöglicht eine einfache Integration in dünne und leichte Leuchten.

Chip-on-Board (COB) LEDs

COB-Gehäuse montieren mehrere LED-Dies direkt auf einem einzigen Substrat, wodurch eine dichte Lichtquelle entsteht. Dieses Design bietet eine höhere Helligkeit, eine gleichmäßigere Lichtausbeute und eine geringere Blendung im Vergleich zu einzelnen SMDs. COB-LEDs sind in Strahlern, Downlights und Hochleistungslampen zu finden, bei denen eine starke gerichtete Beleuchtung erforderlich ist.

LEDs für Chip-Scale-Gehäuse (CSP)

Die CSP-Technologie eliminiert sperrige Verpackungen, wodurch die LED auf nahezu die gleiche Größe wie der Halbleiterchip selbst reduziert wird. Dies ermöglicht kleinere, effizientere und thermisch stabile Designs. CSP-LEDs werden häufig in Autoscheinwerfern, Smartphone-Hintergrundbeleuchtungen und Anzeigetafeln eingesetzt, bei denen Kompaktheit und Haltbarkeit erforderlich sind.

Optik und Strahlsteuerung

Das rohe Licht aus einem LED-Gehäuse ist nicht immer für den direkten Einsatz geeignet. Um Licht zu formen und zu lenken, verwenden Designer optische Elemente wie Linsen zur Fokussierung oder Streuung des Lichts. Reflektoren zur Umlenkung und Steuerung von Abstrahlwinkeln. Diffusoren für eine weiche, gleichmäßige Ausleuchtung.

Spezialisierte LED-Typen

UV-LEDs

Emittieren Sie ultraviolettes Licht für die Sterilisation, die Aushärtung von Klebstoffen und die Erkennung von Fälschungen. Sichere, kompakte Alternative zu Quecksilber-UV-Lampen.

IR-LEDs

Erzeugen Sie unsichtbares Infrarotlicht für Fernbedienungen, Nachtsichtgeräte und biometrische Systeme. Effizient und weit verbreitet in der Elektronik und Sicherheit.

OLEDs

Dünne, flexible organische LEDs werden in Smartphones, Fernsehern und Wearables eingesetzt. Liefern Sie lebendige Farben und Kontraste, haben aber eine kürzere Lebensdauer.

Mikro-LEDs

Displays der nächsten Generation bieten eine hellere, effizientere und langlebigere Leistung als OLEDs. Am besten für AR/VR, Fernseher und Smartwatches.

10,5 Laserdioden

Halbleiterbauelemente, die kohärente, hochintensive Strahlen erzeugen. Wird in Glasfasern, Scannern, medizinischen Instrumenten und Laserpointern verwendet.

Fazit

LEDs haben sich zu vielseitigen Komponenten entwickelt, die in Beleuchtung, Displays und fortschrittlichen Technologien eingesetzt werden. Ihre Effizienz, Langlebigkeit und Steuerbarkeit heben sie von älteren Lichtquellen ab. Spezialisierte Formen wie UV, IR, OLEDs und Mikro-LEDs erweitern ihre Rolle noch weiter. Mit kontinuierlichen Verbesserungen bleiben LEDs von zentraler Bedeutung für die Zukunft nachhaltiger und leistungsstarker Beleuchtungssysteme.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

Frage 1. Aus welchen Materialien bestehen LEDs?

LEDs werden aus Halbleitern wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP) und Galliumnitrid (GaN) hergestellt.

Frage 2. Warum brauchen LEDs Widerstände?

Widerstände begrenzen den Stromfluss und schützen die LEDs vor dem Durchbrennen.

Frage 3. Wie werden weiße LEDs hergestellt?

Weiße LEDs verwenden einen blauen LED-Chip mit einer gelben Phosphorbeschichtung, um weißes Licht zu erzeugen.

Frage 4. Warum ändern LEDs mit der Zeit ihre Farbe?

LEDs verändern ihre Farbe aufgrund von Hitze- und Materialdegradation sowie durch Phosphordegradation.

Frage 5. Können LEDs in extremen Umgebungen eingesetzt werden?

Ja. Mit dem richtigen Design können LEDs unter sehr kalten, heißen, feuchten oder staubigen Bedingungen betrieben werden.

Frage 6. Wie wird die Lebensdauer von LEDs getestet?

LEDs werden mit thermischer, Feuchtigkeits- und elektrischer Belastung getestet, um die Lebensdauer abzuschätzen.